某水庫粘土心墻壩滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析

鐘敏青

(中山翠亨新區(qū)工程項(xiàng)目建設(shè)事務(wù)中心，廣東 中山，528400)

1 工程概況

某水庫樞紐工程大壩壩型采用傳統(tǒng)粘土心墻石渣壩，上游壩體采用弱風(fēng)化石渣料碾壓填筑，下游壩體采用強(qiáng)風(fēng)化石渣料碾壓填筑。鑒于該水庫主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，庫區(qū)水位經(jīng)常發(fā)生較大變化，極容易造成粘土心墻壩體內(nèi)部土體長期處于飽和和非飽和狀態(tài)，間接削弱壩土體抗剪強(qiáng)度[1－4]。因此，有必要對(duì)該粘土心墻壩進(jìn)行滲流分析和壩體穩(wěn)定分析，探明壩體可能存在的問題并采取有針對(duì)性的修復(fù)措施，從而保障水庫大壩安全。

該水庫三面環(huán)山一面地勢(shì)較低，流域地勢(shì)東北高，西南低。水庫工程壩址區(qū)以上流域面積0.1km2，河長0.42km，平均比降43.3‰。工程主要建筑物有大壩、溢洪道、放水設(shè)施等。

2 巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程需要，本工程勘察取4～8組粘性土樣進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，粘土試驗(yàn)結(jié)果滿足心墻的各項(xiàng)指標(biāo)要求，詳細(xì)指標(biāo)見表1。

表1 粘性土室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果

經(jīng)查詢工程所在地土壤為低液限粘土，中等壓縮土，較密實(shí)。本工程勘察在鉆孔內(nèi)取6組基巖巖芯樣，進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，結(jié)果見表2。發(fā)現(xiàn)基巖屬于弱風(fēng)化巖，其飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc<5MPa，為易軟化巖。

表2 弱風(fēng)化巖層物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

3 粘土心墻壩壩體滲流計(jì)算分析

首先，根據(jù)工程實(shí)際要求，對(duì)該粘土心墻壩的壩體滲流場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。通過滲流計(jì)算分析，目的在于確定粘土心墻壩在各種工況下壩體內(nèi)部的浸潤線分布位置以及壩體的單寬滲流量Q[5，6]。滲流計(jì)算中所需要的關(guān)鍵參數(shù)是壩體材料的滲透系數(shù)，本大壩體主要包含了兩種土體材料，一是壩殼材料，二是壩體心墻材料。大壩包含的兩種材料的滲透系數(shù)均采用土工試驗(yàn)建議值，其中壩殼材料滲透系數(shù)取5.0×10－4cm/s，而心墻料的滲透系數(shù)取1.0×10－6cm/s。之后，根據(jù)該水庫實(shí)際運(yùn)行情況，選取了上游水位分別為正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位的穩(wěn)定滲流計(jì)算工況，具體水位情況如圖1所示。

圖1 某水庫粘土心墻壩最大橫剖面

本次粘土心墻壩壩體的滲流計(jì)算時(shí)對(duì)壩體進(jìn)行了簡易處理，模型大壩上下游坡度均為1∶3，以便于理正軟件建模和計(jì)算[7－9]。滲流量計(jì)算結(jié)果見表3，而計(jì)算的壩體內(nèi)浸潤線的分布情況見圖2－圖4。

分析表3可知，在三種工況下通過壩體的單寬滲流量均很小。在正常蓄水位時(shí)，單寬滲流量僅有0.279m3/(d·m)，而在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)單寬滲流量僅有0.303m3/(d·m)，僅僅增加了0.024m3/(d·m)，即使在上游水位最高的校核洪水位時(shí)，單寬滲流量也僅有0.311m3/(d·m)，滲流量都非常小，說明壩體不存在明顯的滲漏問題。

表3 粘土心墻壩壩體滲流計(jì)算成果

而根據(jù)浸潤線計(jì)算結(jié)果(分析圖2－圖4)可知，在以上三種水位情況，計(jì)算得到的浸潤線均在合理位置，心墻有效地降低了浸潤線在壩體內(nèi)部的位置，浸潤線止于透水性較強(qiáng)的排水棱體。

圖2 粘土心墻壩正常蓄水位浸潤線

圖3 粘土心墻壩設(shè)計(jì)洪水位浸潤線

圖4 粘土心墻壩校核洪水位浸潤線

4 粘土心墻壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

在上文對(duì)粘土心墻壩進(jìn)行滲流計(jì)算分析之后，還需對(duì)上下游壩坡的各類滲流穩(wěn)定和非滲流穩(wěn)定進(jìn)行定量計(jì)算[11－13]。壩體內(nèi)各種巖體材料的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表4。

表4 筑壩土體穩(wěn)定力學(xué)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)規(guī)范要求，本次大壩壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算工況包括上游壩坡和下游壩坡的非穩(wěn)定滲流和滲流工況，詳細(xì)情況如下:

(1)上游壩坡

工況一:正常蓄水位33.55m，降至死水位21.75m時(shí)的非穩(wěn)定滲流；

工況二:設(shè)計(jì)洪水位33.9m降至死水位21.75m時(shí)的非穩(wěn)定滲流；

工況三:校核洪水位34m驟降至正常蓄水位33.55mm再降至死水位21.75mm時(shí)的非穩(wěn)定滲流。

(2)下游壩坡

工況一:正常蓄水位33.55m時(shí)的穩(wěn)定滲流；

工況二:設(shè)計(jì)洪水位33.9m時(shí)的非穩(wěn)定滲流；

工況三:校核洪水位34m時(shí)的非穩(wěn)定滲流。

最終計(jì)算出各種工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 粘土心墻壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

分析可知，對(duì)上游壩坡計(jì)算時(shí)，在正常運(yùn)用狀態(tài)的工況一和工況二時(shí)，上游壩坡的最小抗滑安全系數(shù)Kmin均大于1.33，滿足規(guī)范最小允許值要求。而在工況三的非正常運(yùn)用工況，即上游庫水位由校核洪水位34m驟降至正常蓄水位33.55mm再降至死水位21.75mm時(shí)形成的非穩(wěn)定滲流狀況時(shí)，上游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小，為1.235，但仍然大于規(guī)范最小允許值[1.10]，說明上游壩坡是安全的。而對(duì)于下游壩坡，由于受水位變化的影響相比于上游壩坡更小，計(jì)算結(jié)果顯示:在正常運(yùn)用狀態(tài)和非在正常運(yùn)用狀態(tài)時(shí)下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.33，也滿足規(guī)范最小允許值要求。說明該水庫粘土心墻壩的上下游壩坡穩(wěn)定性良好，在各運(yùn)行工況下不存在壩坡滑動(dòng)的可能。

5 結(jié)論

本文以某水庫粘土心墻壩為例，采用理正巖土軟件中的滲流分析模塊和穩(wěn)定性分析模塊研究計(jì)算了在不同運(yùn)行工況下該粘土心墻壩的滲流量、浸潤線位置以及上下游壩坡的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，得到以下結(jié)論以供參考:

(1)在各運(yùn)行工況下通過該粘土心墻壩壩體的單寬滲流量均很小，最大也不超過0.311m3/(d·m)，說明壩體不存在明顯的滲漏問題。

(2)在各運(yùn)行工況下，計(jì)算得到的浸潤線均在合理位置，內(nèi)部心墻可以有效地降低浸潤線在壩體內(nèi)部的位置。

(3)在壩體形成穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流時(shí)，該粘土心墻壩的上下游壩坡最小抗滑安全系數(shù)均大于規(guī)范最小允許值要求。說明該水庫粘土心墻壩的上下游壩坡穩(wěn)定性良好，在各運(yùn)行工況下不存在壩坡滑動(dòng)的可能。